“嫦娥”五號系統測試“六統一”管理模式及應用

景爭艷、宋世民、劉加明 /北京空間飛行器總體設計部

“嫦娥”五號月球探測器是嫦娥工程三期采樣返回任務中國首個地月采樣往返探測器，是“繞、落、回”探月任務的第三步。2020 年11 月24 日“嫦娥”五號探測器發射升空，2020 年12 月17 日返回器攜帶月壤完成回收，首次實現了中國地外天體采樣返回?！版隙稹蔽逄柺侵袊鴱碗s度最高、技術跨度最大的航天系統工程，航天系統測試以及測試過程管理是任務執行前的重要環節，是評價航天器研制質量的重要依據和最后防線。在“嫦娥”五號系統測試過程中，北京空間飛行器總體設計部采用了“六統一”管理模式。整個任務的圓滿成功，全面驗證了“六統一”管理方法在探測器系統測試中的正確性和有效性。

作為國家重大專項工程，“嫦娥”五號系統測試人員達到114 人，參試團隊涉及中國航天科技集團有限公司、中國科學院、中國航天科工集團有限公司等多家單位。為實現對各參試人員的統一管理，按照參試崗位統一劃分的原則，以14 個崗位的設置實現了不同行政單位的人員融合，依托每日電測安排、每日判讀報告、每周（雙周）計劃安排、每月任務調度的方式，完成型號測試任務的統一劃分。為了解決重大專項任務中業務個性特點強、參試團隊來源多樣的難題，通過共性要素提取及統一實施實現抓總的要求，體現了整器系統級測試的業務優勢與能力。

一、系統級驗證測試的難點

“嫦娥”五號探測器承擔著月球取樣返回任務，面臨月球軌道交會對接、月面采樣、月面起飛、高速返回四大難點。探測器由著陸器、上升器、返回器和軌道器4 個航天器組成，涵蓋 14 個分系統，在不同時間執行不同的飛行任務，每個航天器都是一個相對獨立的飛行器，但彼此又存在相互耦合的關系。

探測器在不同研制階段均需要進行大量的系統驗證試驗，如4 個航天器的電性能測試、真空熱試驗、振動噪聲試驗、EMC 試驗、質量特性試驗、外協試驗等?！版隙稹蔽逄柼綔y器的系統驗證測試過程復雜多樣，全壽命周期內極少出現重復周期性工作模式和確定性飛行模式。過程多樣性的影響主要表現在：一是航天器間組合模式多，導致信息傳輸量大，配合工作內容多；二是遙測模式的多樣性，包括物理信道多樣、虛擬信道多樣、調度策略多樣、封裝格式多樣；三是航天器間供電流向多樣，涵蓋4 個航天器以及7 種單器/組合體狀態，跨航天器的單向及雙向能源流及信息流通路驗證要求高。

5MlE 理論基礎來源于全面質量管理，是過程管理的主要方法。從微觀角度看，引起產品質量波動的原因主要來自6 個方面，即人員（man）、機器（machine）、材料（material）、方法（method）、測量（measurement）和環境（environment）6 個因素，簡稱5M1E。總體設計部將5MlE 分析方法與“嫦娥”五號產品保證工作流程相結合，并與5MIE 的6 個因素相結合，系統梳理了“嫦娥”五號綜合測試工作產品保證項目，提出了“六統一”管理方法與工作體系框架，通過崗位設置、設備部署、信息處理、細則編制、現場指揮、實施調度6 個方面的工作，以具體要素統一實現的方式進行系統驗證測試。

二、“六統一”管理方法的提出

作為國家重大專項工程，“嫦娥”五號系統測試人員達到114 人，參試團隊涉及中國航天科技集團有限公司、中國科學院、中國航天科工集團有限公司等多家單位。為實現對各參試人員的統一管理，按照參試崗位統一劃分的原則，以14 個崗位的設置實現了不同行政單位的人員融合，依托每日電測安排、每日判讀報告、每周（雙周）計劃安排、每月任務調度的方式，完成型號測試任務的統一劃分。為了解決重大專項任務中業務個性特點強、參試團隊來源多樣的難題，通過共性要素提取及統一實施實現抓總的要求，體現了整器系統級測試的業務優勢與能力。

型號全面質量管理要求測試統一抓總，體現整個探測器工作的一致性，通過崗位設置、設備部署、信息處理、細則編制、現場指揮以及實施調度6 個方面的工作，以具體要素統一實現的方式做到系統級測試全研制周期管理模式的落地，具體表現為：測試計劃的統一制定、測試環境的統一部署、測試設備的統一管理、測試過程的統一實施、測試信息的統一處理、測試現場的統一調度。其中，測試過程統一實施的含義是：測試用例設計的統一規范、測試程序細則的統一制定、測試總結評價的統一模板。

基于“六統一”管理模式，理清探測器各個分系統之間的接口關系，尋找系統級驗證“地隨天動”和“面隨點動”的本質和表現。“六統一”管理模式如圖1 所示。

圖1 “六統一”管理模式

三、“六統一”管理應用實踐

在系統級測試驗證“六統一”管理過程中，以飛行任務為核心，以滿足功能模塊和性能指標評價為基線，關注用于支撐全任務飛行過程的各個模塊和指標，明確各個分系統自身整器所占用的功能，以及對過程的影響程度。在項目管理和實踐過程中，總體設計部將“六統一”管理方式在系統級驗證測試的應用通過技術手段逐漸演化為：測試模擬環境統一部署、測試程序統一制定、關鍵動作統一處理、技術驗證統一實施、模擬飛行策略統一調度、系統級評估統一管理。

1.測試模擬環境統一部署

在驗證“嫦娥”五號系統健壯性過程中，需要進行任務模擬，將測試模擬環境統一部署，地面設備設置的變化主要受探測器上星時變化的驅動，在約定的時刻實時更新相應的地面設備模擬狀態。地面模擬環境統一設置的具體內容主要表現為：能源輸出供給方式；測控數傳上下行碼速率/編碼方式的切換；飛行軌道變化引發的敏感器（太敏和星敏）輸出變化、姿態變化引發的陀螺輸出變化、以及由此變化通過姿軌控算法造成的動量輪及推力器等執行機構的變化；熱控模式變化引發的加熱器及控溫熱敏電阻的參數內容變化；相機成像過程中引發的地面圖像解析軟件狀態變化。

在數據管理過程中，針對這些狀態建立數據變更追蹤記錄和狀態數據包管理，確保依照飛行任務中探測器工作特點變化實時更新測試設備的各項設置，做到所有數據有記錄并且可追蹤。

2.測試程序統一制定

測試程序實施過程中建立數據屬性和對象關聯數據庫，進行關鍵節點式管理。主要包括4 個方面的內容：一是明確上行控制指令，尤其要關注實時生成的注入指令，如內存下卸、數據回放起始地址；二是確定各個步驟及相應狀態的判讀依據；三是設置地面設備完成模擬條件的合理狀態；四是既定飛行程序各個步驟間的連續性和互相支撐關聯性。

測試程序的驅動核心為星時（即衛星時間），按照順序完成設定的程序步驟，進而完成整器狀態在所有星時過程中的靜態映射遍歷。程控、自主執行等各個模塊的起始時刻需要作為關鍵起始時刻，嚴密控制該過程起始點的動作與星時對應關系。

飛行任務中重復出現的過程可選擇典型子樣作為考核該過程正確性的事例。星時非相關過程獨立成章，剝離星時不相關工作模塊，識別并設定具備并行開展工作條件的項目是提高模擬飛行測試實施工作效率的重要條件。實施中確保當前飛行任務既定狀態與自身工作模塊開始前的狀態一致無沖突，整個測試程序統一制定、統一執行，并在模塊實施過程中不能有影響整器飛行狀態基線的變化，完成模塊實施后需要開展飛行狀態恢復。

3.關鍵動作驗證統一處理

對探測器在軌飛行過程可能發生的工作模式完成分析，并對各個模式對應的關鍵狀態完成提取和整合，以覆蓋各飛行狀態。以分系統詳細測試的方式，分別實現電總體方面在特征阻抗和功率特性方面的檢查，信息總體方面在數據流及測控信道定量檢查，以及任務總體方面的單器狀態下的任務剖面檢查。

尤其關注飛行任務針對該關鍵動作引發的各種時序和邏輯觸發關系。主要表現為器箭分離、艙器分離、10km 到達、著陸過載通4 個部分。各個關鍵點均隱含著事件觸發引起的程序自動控制過程，需要驗證地面飛控工作與在軌飛行過程之間的動作交互匹配性，主要表現為指令密集發送時段器上飛行需求在飛行程序規定的既定時間內完成。在關鍵動作驗證統一處理過程中關注的重點是外部觸發機制的連續動作、程控功能及自動執行過程、動作過程的指令控制及判讀時間。通過這些關鍵提取和提前識別手段，達到風險識別與風險管理的效果。

4.技術驗證統一實施

技術驗證統一實施體現了整個項目的過程管理和流程管理，由技術狀態的內容確定技術流程。主要包括3 個方面的技術內容：一是探測器上負載整器飛行全過程對功率需求是否在供電設計輸入的包絡范圍內；二是測控信息通道容量是否包絡各種類型數據下傳的實際結果；三是遙測信息體制的支持性，包括遙測模式和傳輸方式2 個方面。

統一實施的技術流程設計，首先展開各器功率和通道檢查，再進行組合體狀態的信息交互、供電交互項目，最后開展全過程模擬飛行。系統級技術驗證流程如圖2 所示。

圖2 統一實施系統級技術驗證流程

5.模擬飛行策略統一調度

飛行程序是表征單個航天器在軌執行任務的邏輯關系，而模擬飛行工作的目標就是依托各種模擬設備、模擬環境，按照事先制定的測試程序統一調度飛行策略，以完成系統邏輯關系正確性的驗證。按照航天器在軌故障容限能力設計要求規定：一重故障保業務連續產品研制質量保證要求，重點開展面向不可逆環節健壯性的模擬飛行測試。

統一調度方法是先建立飛行程序項目管理信息系統，包含的信息主要有：識別關鍵飛行事件，確定各任務剖面中每個飛行事件執行結果對任務目標的影響；分解單事件對應的支撐功能，以信息傳遞及時序關系、工作模式表達，確定測試設計輸入；以敏感器、控制器和執行部件作為故障激勵分類，最后根據信息系統統一實施測試設計及細則編制。

工程實施過程中，共實現了涵蓋50 個故障源的多層多源故障注入的健壯性模飛，完成了落月/起飛/再入等關鍵環節的冗余設計正確性驗證。

6.系統評估統一管理

系統級效能評估的流程是：首先統一分析系統指標，建立綜合驗證評價體系，將探測器系統中各分系統進行分解，以充分反映實際設備的狀態和能力，進一步分解到關鍵單機和部件的性能指標，最后形成可信性矩陣D 和有效能力向量C 聯合評估模型。評估管理數據模型主要構成包括系統開始工作時狀態的度量、系統執行任務中正常工作的能力、系統圓滿完成任務的程度。

以“嫦娥”五號試驗過程階段為例，將A/B/C/D 測試階段劃分為4 種系統正常工作狀態D1、D2、D3、D4 和一個故障狀態D5，執行任務期間，其變化的概率(轉移概率)就構成了可信性矩陣[D]：

以D1 狀態為例：d為系統在開始執行任務時處于工作狀態，在任務完成時系統處于故障狀態的概率；d為系統在開始執行任務時處于故障狀態，在任務完成時處于工作狀態的概率；系統在執行任務時，正常工作狀態按照順序進行，故有d=0，d=0，遇到特殊情況，可發生一些可逆狀態，如狀態3 可以轉為狀態1；假設系統在執行任務的過程中是可修復系統，故有d=0。系統故障和維修都服從指數分布。取λ表示系統狀態1 發生故障的故障率，λ1/MTBF，（MTBF 為設備的平均故障時間），μ表示系統狀態1 的修復率，μ1/MTTR，MTTR 為設備的平均故障修復時間，取T表示系統任務工作時間，可得：

d=exp（-λ），d=exp（-μ）

系統執行任務的有效能力用向量C 代表。計算固有能力矩陣C，可采用品質效用函數的方法。Cj代表系統處于狀態j 時完成任務的概率或所能完成的任務量。根據探測器的子任務劃分為月面降落任務C1，月面樣品采集任務C2、月面動力上升任務C3、交會對接任務C4、高速再入返回與著陸任務C5，具體可分為2 種情況計算：一是對于要求系統在任務期間必須連續工作的情況，Cj 根據任務結束時系統所處的狀態能完成任務的概率(或量)計算；二是對于允許系統不必在整個任務期間內連續工作的情況，Cj 的計算首先計算[C]，其中C為由狀態i 轉移到狀態j 所完成任務的概率（或量）。因此，總體系統效能可評價為：

[D][C]=∑DC

通過探測器系統評估過程控制的統一管理手段，從各分系統數據中提取關鍵指標參數，建立基于任務目標的指標評價體系，通過定量、定性指標量化評價、權重系數比較等計算約束條件，解決了“嫦娥”五號探測器目標完成能力不易定量評估的難題，實現了系統級評估從定性到定量的升級。

針對“嫦娥”五號探測器系統測試模式復雜、過程多樣性等特點，北京空間飛行器總體設計部探索并研究新型測試管理模式，從個體到整體總結歸納出探測器系統級測試管理原則和方法，建立了“六統一”管理方式。在應用實踐過程中，實現了測試模擬環境的統一部署、測試程序統一制定、關鍵動作驗證統一處理、技術驗證統一實施、模擬飛行策略統一調度，最終完成系統目標任務的精確度和品質評價的統一管理，為探測器系統級驗證以及任務圓滿完成提供了有力支持?！?/p>